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    “摩爾”概念難點(diǎn)成因及化解策略

    2015-06-18 00:40龍琪
    化學(xué)教學(xué) 2015年4期
    關(guān)鍵詞:教學(xué)難點(diǎn)摩爾

    摘要:“摩爾”概念作為中學(xué)化學(xué)教學(xué)難點(diǎn)的主要表現(xiàn)有:學(xué)生易混淆相關(guān)概念,化學(xué)史上“摩爾”概念的發(fā)展歷程波折而漫長(zhǎng);該概念剛被引進(jìn)我國(guó)時(shí)也曾難倒很多老師;與“摩爾”相關(guān)的誤解廣泛存在。其難點(diǎn)成因主要來(lái)自于三個(gè)方面:概念本身、學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)以及教師的教學(xué)方法?;谶@些原因分析,本文從教學(xué)設(shè)計(jì)和教材編寫兩個(gè)方面給出了難點(diǎn)化解策略。

    關(guān)鍵詞:摩爾;物質(zhì)的量;阿伏伽德羅常數(shù);教學(xué)難點(diǎn)

    文章編號(hào):1005–6629(2015)4–0032–06 中圖分類號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

    如果對(duì)中學(xué)化學(xué)里的所有概念進(jìn)行排序,不管是以其在知識(shí)體系中的重要性為標(biāo)準(zhǔn),還是以學(xué)習(xí)難度為標(biāo)準(zhǔn),或是以教學(xué)難度為標(biāo)準(zhǔn),再或是以科研關(guān)注度為標(biāo)準(zhǔn),“摩爾”及其相關(guān)概念都會(huì)名列前茅。至今這一選題依然在熱議中,筆者對(duì)這一教學(xué)難題的認(rèn)識(shí)也在逐漸深入。

    1 “摩爾”成為難點(diǎn)知識(shí)的表現(xiàn)形式

    “摩爾”概念成為難點(diǎn)知識(shí)有很多表現(xiàn)形式。首先,學(xué)生易混淆相關(guān)概念,將“摩爾”等同于“物質(zhì)的量”、“質(zhì)量”、“阿伏伽德羅常數(shù)”、“微粒個(gè)數(shù)”、“氣體分子數(shù)”,甚至認(rèn)為“摩爾”是分子的性質(zhì)。

    其次,從化學(xué)史的角度來(lái)看,“摩爾”這一概念的明確界定和統(tǒng)一認(rèn)識(shí)的歷程波折而漫長(zhǎng)。“摩爾”的最初定義與現(xiàn)在的內(nèi)涵是不一樣的。1900年,俄德化學(xué)家奧斯特瓦爾德(Osrwald,F(xiàn)riedrich Wilhelm,1853~1932)首次提出“摩爾(mole)”這個(gè)名稱,他把“摩爾”定義為以克為單位的質(zhì)量[1],而不是微觀粒子的計(jì)數(shù)單位。在當(dāng)時(shí),奧斯特瓦爾德根本不可能把“摩爾”定義為微觀粒子的計(jì)數(shù)單位。因?yàn)樗磳?duì)道爾頓和阿伏伽德羅提出的原子分子學(xué)說,阿伏伽德羅用“molecule”一詞表示分子,意為“small mass”,而奧斯特瓦爾德偏偏選用“mole”一詞,意為“big mass”[2]。這說明,即使是化學(xué)家,他們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)、理解和接受也是有一定難度的。此外,“摩爾(mole)”這一名稱誕生于1900年,其對(duì)應(yīng)的物理量-“物質(zhì)的量(amount of substance)”于1961年才誕生[3]。也就是說,“摩爾”這一物理量單位的出現(xiàn)早于其表示的物理量“物質(zhì)的量”。這種先有單位后有物理量的現(xiàn)象在科學(xué)界比較少見。直至1971年,在第十四屆稱量與測(cè)量大會(huì)(14th General Conference on Weights and Measures)上,科學(xué)界才正式定義“摩爾”、“物質(zhì)的量”和“阿伏伽德羅常數(shù)”,將“摩爾”納入國(guó)際單位制體系,作為七個(gè)SI基本單位之一。可見,經(jīng)歷了大半個(gè)世紀(jì),科學(xué)界才明確和統(tǒng)一了“摩爾”這一概念的內(nèi)涵和名稱。然而,即使有了明確定義,在1971年后的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),科學(xué)界對(duì)“摩爾”一詞的使用仍然存在爭(zhēng)議,有的科學(xué)家還繼續(xù)使用“當(dāng)量(equivalent weight)”這一古老名稱[4]。

    再其次,“摩爾”概念在我國(guó)高中化學(xué)中剛被引入的時(shí)候,也曾難倒了很多老師。繼國(guó)務(wù)院60號(hào)文件[1977]規(guī)定在我國(guó)推行SI制后,高一課本就引入了“摩爾”這一新單位,廢除了過去采用的克分子、克原子、克離子、克分子體積等舊單位。1980年前后,摩爾概念及其應(yīng)用在國(guó)內(nèi)仍然很不統(tǒng)一[5]。那段時(shí)間關(guān)于如何理解“摩爾”、“物質(zhì)的量”概念的介紹性、商榷類的文章比較多。這種現(xiàn)象說明很多教師當(dāng)時(shí)也很難理解和掌握“摩爾”概念。如今三十多年過去了,關(guān)于“摩爾”及“物質(zhì)的量”問題的探討還在繼續(xù),但是關(guān)注焦點(diǎn)已經(jīng)由如何理解概念轉(zhuǎn)移到如何講授概念上來(lái)。

    最后,與“摩爾”相關(guān)的誤解廣泛存在,比如誤以為“阿伏伽德羅常數(shù)”的提出者和測(cè)量者是阿伏伽德羅本人(Avogadro,Amedeo,1776~1856)。這樣的錯(cuò)誤在土耳其的一本中學(xué)科學(xué)教材上曾出現(xiàn)過[6]。再比如,有很多學(xué)生誤以為“摩爾”是一位化學(xué)家。還有,我們熟知的百度百科上也有科學(xué)性問題,在對(duì)“克分子”的介紹中,有這么一句描述“化學(xué)物質(zhì)的量就是摩爾”[7],這個(gè)錯(cuò)誤十分明顯。

    2 “摩爾”成為學(xué)習(xí)難點(diǎn)的原因分析

    “摩爾”成為學(xué)習(xí)難點(diǎn)至少有三個(gè)方面的原因:概念本身的原因;學(xué)生的原因;教師的原因。

    2.1概念本身的原因

    2.1.1與“摩爾”相關(guān)的知識(shí)與技能不僅多,而且難

    與“摩爾”學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)與技能有很多。其前序知識(shí)有原子、分子、質(zhì)量、相對(duì)原子質(zhì)量、相對(duì)分子質(zhì)量、碳-12原子、H2、H2SO4等具體的物質(zhì)概念、物理量及其單位、國(guó)際單位制的SI基本單位、常數(shù)、宏觀與微觀等。并序知識(shí)有物質(zhì)的量、阿伏伽德羅常數(shù);后續(xù)知識(shí)有摩爾質(zhì)量、氣體摩爾體積及標(biāo)準(zhǔn)狀況、摩爾濃度、阿伏伽德羅定律等。

    化學(xué)技能方面,化學(xué)式、化學(xué)方程式的書寫與計(jì)算不僅是“摩爾”概念的學(xué)習(xí)基礎(chǔ),而且是深入理解概念的重要手段和有效途徑。以“摩爾”為核心的計(jì)算又是這部分的學(xué)習(xí)重點(diǎn)和學(xué)習(xí)難點(diǎn),公式很多,對(duì)計(jì)算能力的要求很高。很多教師都發(fā)現(xiàn),學(xué)生對(duì)“摩爾”概念的掌握最終還是通過大量做題來(lái)實(shí)現(xiàn)的,計(jì)算能力不強(qiáng)的學(xué)生很難學(xué)好這部分內(nèi)容。

    可見,與“摩爾”相關(guān)的概念與知識(shí)都十分抽象,其概念本身就難以理解,具有較大的學(xué)習(xí)難度。加上它們?cè)凇澳枴睂W(xué)習(xí)過程中又密集出現(xiàn),就會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)??梢哉f,“摩爾”概念的學(xué)習(xí)難度很大程度上來(lái)自于這些相關(guān)知識(shí)和技能的難度。

    2.1.2 “摩爾”概念的不合常理之處

    “摩爾”概念除了在內(nèi)涵意義上較難理解以外,它還有很多不合常理之處,讓人不可思議。

    首先,“阿伏伽德羅常數(shù)”的提出和測(cè)量者不是阿伏伽德羅本人。最先提出“阿伏伽德羅常數(shù)”這一名稱的是法國(guó)科學(xué)家佩蘭(Jean Baptiste Perrin,1870~1942)。1908年,他將通常情況下1克分子(即1摩爾)氣體中所含有的分子數(shù)定義為阿伏伽德羅常數(shù)[8]。最早對(duì)阿伏伽德羅常數(shù)測(cè)量有貢獻(xiàn)的科學(xué)家是奧地利化學(xué)家洛喜密脫(Joseph Loschmidt,1821~1895)以及匈牙利化學(xué)家泰安(Karoly Than,1834~1908)[9]。1865年,洛喜密脫估算出,在通常情況下1立方厘米氣體中所含有的分子數(shù)為1.83×1018;1889年,泰安測(cè)出通常情況下,1克分子(即1摩爾)氣體所占的體積為22330立方厘米。于是,最早的阿伏伽德羅常數(shù)的值是1.83×1018×22330=4.09×1022?;瘜W(xué)史上,人們把阿伏伽德羅常數(shù)的測(cè)量歸功于洛喜密脫和泰安[10]。

    可見,阿伏伽德羅常數(shù)的提出和測(cè)量都是阿伏伽德羅去世以后的事情,與他本人沒有直接關(guān)系。人們以他的名字命名這個(gè)數(shù)主要源自兩個(gè)原因:(1)阿伏伽德羅提出了分子假說,這為阿伏伽德羅常數(shù)的測(cè)定奠定了理論基礎(chǔ);(2)阿伏伽德羅于1811年提出分子假說,但由于學(xué)術(shù)權(quán)威的反對(duì)以及其他原因,該理論被埋沒了近半個(gè)世紀(jì),直至1860年的首屆卡爾斯魯厄國(guó)際化學(xué)會(huì)議,在他的同胞康尼查羅的大力宣傳下,他的分子假說才被學(xué)術(shù)界接受和認(rèn)可。這一年阿伏伽德羅已經(jīng)離世。后人為了紀(jì)念這位科學(xué)家,將“阿伏伽德羅常數(shù)”以他的名字命名。

    其次,在科學(xué)上,很多物理量單位的名稱都采用科學(xué)家的名字來(lái)命名,以示紀(jì)念。然而當(dāng)年奧斯特瓦爾德選用“摩爾”一詞的用意是為了反對(duì)原子分子論,與科學(xué)家的姓名無(wú)關(guān)。但巧合的是,“摩爾”一詞在西方國(guó)家確實(shí)也是一種人名,這就容易使學(xué)生產(chǎn)生誤解,常常有學(xué)生把“摩爾”作為外號(hào)來(lái)稱呼自己的化學(xué)老師。

    再次,從單位換算的角度來(lái)看,“摩爾”與“個(gè)”這一單位換算的數(shù)值不僅不是整數(shù),而且是一個(gè)大得讓學(xué)生無(wú)法想象的數(shù)字——6.02×1023。這個(gè)數(shù)值從何而來(lái)很難跟學(xué)生解釋清楚。其準(zhǔn)確值至今科學(xué)家還在研究。

    最后,單位物理量通常是可以觀察到的。比如1克有多重,1毫升有多少,1米有多長(zhǎng),1秒有多快等,學(xué)生都可以感知到。但是1摩爾是多少?學(xué)生只能通過質(zhì)量或者體積來(lái)間接地感知,并且同為1摩爾的物質(zhì),可能在質(zhì)量上和外觀上差距甚遠(yuǎn)。也就是說,1摩爾這個(gè)單位很難給學(xué)生一致性的直觀量化的感性認(rèn)識(shí)。

    2.2 學(xué)生方面的原因

    2.2.1 學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不牢

    前文已述,“摩爾”概念的學(xué)習(xí)要建立在很多化學(xué)概念和化學(xué)技能之上。這些相關(guān)概念和技能本身就比較抽象,看不見摸不著,學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不是很牢固。再?gòu)臅r(shí)間上看,這些概念的學(xué)習(xí)一般在九年級(jí)上學(xué)期的前半段完成,等到學(xué)習(xí)“摩爾”的時(shí)候,已有約一年的時(shí)間過去了,這些相關(guān)概念可能已經(jīng)變得模糊不清。

    2.2.2 語(yǔ)言理解能力不夠

    教材上對(duì)“摩爾”的定義是“1摩爾粒子集體所含的粒子數(shù)與0.012kg 12C中所含的原子數(shù)相同”。第十四屆稱量與測(cè)量大會(huì)上給出的定義是“The mole is the amount of substance of a system which contains as many elementary entities as there are atoms in 0.012 kilogram of carbon-12[11]”??梢姡滩纳系摹澳枴倍x源自學(xué)術(shù)定義的翻譯。這樣的定義在文字表述上十分嚴(yán)謹(jǐn),學(xué)術(shù)性很強(qiáng),但讀起來(lái)卻很拗口,閱讀能力不強(qiáng)的學(xué)生很難讀懂這句話。即使讀懂了句子,但由于對(duì)相關(guān)背景知識(shí)的要求較高,學(xué)生也很難真正理解這個(gè)定義的豐富內(nèi)涵。

    2.2.3 認(rèn)知發(fā)展水平不夠

    國(guó)外有研究者根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論認(rèn)為,學(xué)生學(xué)不好“摩爾”這一概念,既不是教師的原因,也不是學(xué)生不努力,而是他們的認(rèn)知水平還沒有發(fā)展到形式運(yùn)算階段[12]。皮亞杰把兒童的認(rèn)知發(fā)展分成四個(gè)階段:(1)感知運(yùn)動(dòng)階段:0~2歲,靠感覺獲取經(jīng)驗(yàn)。(2)前運(yùn)算階段:2~7歲,能使用語(yǔ)言及符號(hào)等表征外在事物,具有推理能力但不符邏輯,主要是直接推理。(3)具體運(yùn)算階段:7~11歲,能使用具體物體的操作來(lái)協(xié)助思考。(4)形式運(yùn)算階段:11~16歲,開始會(huì)類推,有邏輯思維和抽象思維。

    “摩爾”是一個(gè)將質(zhì)量、體積等宏觀物理量與原子數(shù)分子數(shù)等微觀世界聯(lián)系起來(lái)的概念,對(duì)抽象思維的要求較高。認(rèn)知發(fā)展水平仍處于具體運(yùn)算階段的學(xué)生很難將宏觀與微觀聯(lián)系起來(lái)。

    2.3 教師方面的原因

    教材上直譯“摩爾”定義的做法給教學(xué)帶來(lái)了困難。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)化語(yǔ)言以及英語(yǔ)和漢語(yǔ)這兩種語(yǔ)言習(xí)慣上的差異,使得對(duì)這種定義的理解要求與學(xué)生的實(shí)際水平之間存在較大差距。教師在進(jìn)行“摩爾”概念教學(xué)時(shí),如果認(rèn)識(shí)不到學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)在哪里,或者教師本人對(duì)有關(guān)概念的理解不深刻,就會(huì)機(jī)械地照搬教材上的定義和順序給學(xué)生講解,難以產(chǎn)生好的教學(xué)效果。

    比如教材上最為關(guān)鍵的內(nèi)容是這三句話:“摩爾是物質(zhì)的量的單位”,“1摩爾物質(zhì)含有阿伏伽德羅常數(shù)個(gè)微?!保?摩爾粒子集體所含的粒子數(shù)與0.012kg 12C中所含的原子數(shù)相同”。有調(diào)查顯示[13],關(guān)于“物質(zhì)的量”,學(xué)生感覺它不像物理量的專有名詞,而像生活用語(yǔ),其意義和內(nèi)涵教材上也沒有解釋清楚,只講是宏觀與微觀的橋梁,他們不理解是什么意思?!鞍⒎さ铝_常數(shù)”也難以理解,不知道為什么選用這個(gè)數(shù)值??梢?,“物質(zhì)的量”、“阿伏伽德羅常數(shù)”的學(xué)習(xí)難度不亞于“摩爾”,將“摩爾”的講解建立在這兩個(gè)概念之上,無(wú)異于空中樓閣。因此,前兩句話對(duì)于學(xué)生來(lái)講其實(shí)是沒有意義的。

    第三句話是“摩爾”的定義,除了前文所述的句子拗口以外,還有一些化學(xué)背景知識(shí)需要給學(xué)生解釋清楚。首先是“粒子集體”,不僅要強(qiáng)調(diào)是原子、分子、電子、離子之類的微粒,還要有各種類型的例子使其具體化。其次,在沒有學(xué)過同位素概念的前提下,碳-12原子對(duì)學(xué)生來(lái)講也十分陌生。因此,第三句話不宜在“摩爾”概念學(xué)習(xí)的開始階段出現(xiàn),而要放在學(xué)生初步形成“摩爾”概念以后,在深化理解階段再引入上述定義。

    “摩爾”概念教學(xué)中,教材上的順序一般是先介紹“物質(zhì)的量”,然后介紹“摩爾”。絕大部分的教師也是按照這個(gè)順序進(jìn)行教學(xué),并且從國(guó)際基本單位制引出“物質(zhì)的量”。這種普遍流行的導(dǎo)入方法其實(shí)是不科學(xué)的。很多學(xué)生在學(xué)習(xí)“摩爾”之前并不知道國(guó)際單位制體系及七個(gè)SI基本單位,反倒是學(xué)了“摩爾”以后才知道的。教育心理學(xué)告訴我們,教學(xué)的起點(diǎn)是學(xué)生已經(jīng)知道了什么。這種從學(xué)生不知道的知識(shí)來(lái)引出新知識(shí)的做法有悖于教學(xué)規(guī)律。調(diào)查也證實(shí)了這一點(diǎn)[14],學(xué)生認(rèn)為列出國(guó)際規(guī)定的七大物理量和單位引出“物質(zhì)的量”和“摩爾”,對(duì)他們的學(xué)習(xí)沒有多大幫助。因?yàn)橛械奈锢砹亢蛦挝凰麄兏静皇煜?,即使是熟悉的“質(zhì)量”和“時(shí)間”,他們也搞不清楚定義。真正對(duì)他們有幫助的還是做題,通過大量練習(xí),他們逐漸明白了“物質(zhì)的量”這一宏觀與微觀的橋梁作用。

    3 “摩爾”概念的教學(xué)設(shè)計(jì)

    基于以上的難點(diǎn)成因分析,筆者認(rèn)為,“摩爾”概念的教學(xué)首先要打破教材上的固有順序(如圖2所示),采用新的講解順序(如圖3所示)。

    重點(diǎn)介紹“摩爾”,淡化“物質(zhì)的量”,回避或者延后“阿伏伽德羅常數(shù)”。具體的教學(xué)思路是:表示微觀粒子數(shù)量多少的單位“個(gè)”→表示微觀粒子數(shù)量多少的單位摩爾(mol)→1mol某種微粒集合體中所含的微粒數(shù)與0.012kg 12C中所含的原子數(shù)(NA)相同,其近似值為6.02×1023,即1摩爾≈6.02×1023個(gè)(微觀粒子)→表示微粒集合體中所含的微粒數(shù)多少的物理量就是物質(zhì)的量(n)→微粒個(gè)數(shù)(N)與物質(zhì)的量的轉(zhuǎn)換關(guān)系n=N/NA→辨析相關(guān)概念。

    上述教學(xué)設(shè)計(jì)思路是基于學(xué)生容易理解的“個(gè)”數(shù)以及他們熟悉的單位換算,將“摩爾”概念嫁接在學(xué)生已知已會(huì)的知識(shí)與技能之上,從而化解了“摩爾”的學(xué)習(xí)難度。當(dāng)學(xué)生建立起“摩爾”的概念以后,再將“物質(zhì)的量”概念建立在“摩爾”概念之上。

    回避或者延后介紹“阿伏伽德羅常數(shù)”可以簡(jiǎn)化與“摩爾”相關(guān)的知識(shí)與概念,調(diào)整后的前序知識(shí)有原子、分子、質(zhì)量、H2、H2SO4等具體的物質(zhì)概念、物理量及其單位。并序知識(shí)有物質(zhì)的量;后續(xù)知識(shí)有摩爾質(zhì)量、氣體摩爾體積及標(biāo)準(zhǔn)狀況、摩爾濃度、阿伏伽德羅定律、阿伏伽德羅常數(shù)等。這樣處理不僅不會(huì)降低教學(xué)要求,而且可以避免很多不必要的學(xué)習(xí)疑問,有利于學(xué)生對(duì)“摩爾”相關(guān)內(nèi)容的理解和應(yīng)用[15]。

    具體到課堂教學(xué),可以做如表1所示的教學(xué)設(shè)計(jì)。

    4 教材編寫上的化解策略

    很多一線教師的教學(xué)依據(jù)就是化學(xué)教材,為了便于教師們實(shí)施上述教學(xué)設(shè)計(jì),中學(xué)化學(xué)教材中關(guān)于“摩爾”相關(guān)內(nèi)容的編寫是否可以做如下調(diào)整。

    4.1 增加前序知識(shí)的復(fù)習(xí)內(nèi)容

    在正文之前的引言部分,或者在導(dǎo)學(xué)欄目中,增加以下前序知識(shí)的復(fù)習(xí)內(nèi)容:原子、分子、質(zhì)量、相對(duì)原子質(zhì)量、相對(duì)分子質(zhì)量、碳-12原子、H2、H2SO4等具體的物質(zhì)概念、物理量及其單位。

    4.2 調(diào)整“摩爾”、“物質(zhì)的量”、“阿伏伽德羅常數(shù)”的順序和比重

    重點(diǎn)介紹“摩爾”,淡化“物質(zhì)的量”,回避或者延后“阿伏伽德羅常數(shù)”。關(guān)于這一觀點(diǎn),已有論文專述[16],在此不再贅述。此外,建議在章節(jié)標(biāo)題上,要顯示“摩爾”。魯科版教材的題目比較明確:“化學(xué)中常用的物理量-物質(zhì)的量”,人教版教材的題目也比較明確:“物質(zhì)的量單位-摩爾”。如果將這兩個(gè)題目綜合起來(lái)就更明確了:“物質(zhì)的量及其單位摩爾”。阿伏伽德羅常數(shù)可以一帶而過,或者放在阿伏伽德羅定律部分一起介紹。

    4.3 增加化學(xué)史內(nèi)容

    歷史的視角是人們認(rèn)識(shí)事物的重要方面?;瘜W(xué)史內(nèi)容提供了化學(xué)知識(shí)和概念發(fā)展的具體情境?!澳枴奔捌湎嚓P(guān)概念的提出和發(fā)展有很多令人費(fèi)解之處,這些反常多是由于歷史原因造成的。給學(xué)生呈現(xiàn)那段歷史,有助于學(xué)生理解概念發(fā)展的來(lái)龍去脈?;瘜W(xué)史的內(nèi)容像故事一樣,學(xué)生也會(huì)比較感興趣,從而增加化學(xué)這門學(xué)科的人文情懷。

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